1引言

隨著電力電子器件和高頻逆變技術(shù)的高速發(fā)展，各種采用大功率逆變技術(shù)的電源變換裝置被大量應(yīng)用于各種行業(yè)，如變頻器、電鍍、電弧爐、UpS、電氣化機(jī)車、通信電源、電焊機(jī)等，而IGBT由于其集雙極型功率晶體管和功率MOSFET的優(yōu)點(diǎn)于一體的相對(duì)優(yōu)異的綜合電性能指標(biāo)，在上述電源變換裝置中被廣泛使用。

為了最大限度發(fā)揮IGBT的優(yōu)越性，各生產(chǎn)廠家相繼研制出各種驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路并推向市場(chǎng)，如三菱公司的M57959/57962、富士電機(jī)的EXB840/841、東芝公司的TLp250、惠普公司的HCLp-316J、西門康的SKHI22A/B等，其中由于M57959/57962具備較高的性價(jià)比，因而在各種大功率IGBT電源變換裝置中得到了廣泛應(yīng)用。

每個(gè)M57959/57962要正負(fù)兩種輔助電源，并且由于大功率IGBT柵極-發(fā)射極間存在較大的寄生電容，在驅(qū)動(dòng)脈沖的上升和下降沿均要供應(yīng)數(shù)安的充放電電流，才能滿足開通和關(guān)斷的動(dòng)態(tài)要求，這使得正負(fù)兩種輔助電源必須能輸出一定的峰值電流。一般情況下，大功率IGBT電源變換裝置多采用全橋電路拓?fù)洌虼艘?路共4對(duì)相同的正負(fù)兩種輔助電源。在大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，采用的是傳統(tǒng)的變壓器降壓加線性穩(wěn)壓或傳統(tǒng)的變壓器降壓加一個(gè)或多個(gè)普通開關(guān)穩(wěn)壓器的供電方式，不僅體積、重量大，而且效率低，對(duì)輸入電壓適應(yīng)范圍窄，不能滿足現(xiàn)在對(duì)電源變換裝置體積、效率和適應(yīng)性方面的要求。假如采用單個(gè)開關(guān)電源同時(shí)出現(xiàn)該8路共4對(duì)相同的正負(fù)兩種輔助電源，則可以彌補(bǔ)這些不足。

輔助開關(guān)電源輸出平均功率約30W,為簡(jiǎn)化電路、縮小體積、提高可靠性，單端反激變換器為最佳選擇。但在實(shí)際情況下，有些大功率IGBT電源變換裝置的輸入是沒有中線的三相三線制電源(如電焊機(jī))，這就要求輔助開關(guān)電源能在380VAC輸入條件下工作(最高可達(dá)460VAC),此時(shí)開關(guān)管的耐壓要求應(yīng)在1200V以上，給器件的選擇帶來(lái)難度。

筆者在設(shè)計(jì)一套26.4kW的大功率IGBT電源變換裝置時(shí)，針對(duì)厚膜驅(qū)動(dòng)電路M57962的需求，研制了一種小體積、高可靠的380VAC輸入、多路輸出小功率輔助開關(guān)電源。

2電路結(jié)構(gòu)及工作原理

380VAC輸入、多路輸出輔助開關(guān)電源電原理圖如圖1所示。在圖1中，使用了一只常見的美國(guó)pI公司第二代功率開關(guān)集成電路TOp224Y.這是一種大規(guī)模功率IC,不僅集成了振蕩電路、啟動(dòng)電路、pWM控制電路、過流保護(hù)電路、過熱保護(hù)電路，而且集成了一只700V的功率MOSFET.該功率IC與使用一只分立MOSFET和外接控制集成電路的方法相比，可以減少約20個(gè)外圍元件。由于內(nèi)含MOSFET的額定電壓是700V,只能用于單相220VAC輸入，因此再串聯(lián)一個(gè)額定電壓不低于600V的功率MOSFET(1V104),內(nèi)外兩只功率MOSFET耐壓之和超過1300V,便可以將1200V以上的電壓分配在這兩個(gè)器件上，使該電源能安全應(yīng)用于380VAC輸入的高壓場(chǎng)合。

圖1380VAC輸入、多路輸出輔助開關(guān)電源電原理圖

如圖1所示，輔助開關(guān)電源共有A、B、C、D4對(duì)不共地的+15V、-9V輸出，由于該電源的平均輸出功率比較恒定，且4對(duì)輸出指標(biāo)要求完全相同，因此采用了初級(jí)反饋的穩(wěn)壓方式。精密基準(zhǔn)TL431(1N102)的應(yīng)用，使該多路輸出電源的輸出電壓具備極高的穩(wěn)定度指標(biāo)。

正常情況下，整流濾波后的約530V直流電壓加在變壓器的初級(jí)繞組一端，初級(jí)繞組的另一端接至外接MOSFET1V104的漏極。1V104與1N101(TOp224Y)內(nèi)部的MOSFET是串接關(guān)系。當(dāng)1N101內(nèi)部的MOSFET導(dǎo)通時(shí)，把1N101的源極電壓拉到低電平，1V104導(dǎo)通。穩(wěn)壓二極管1V105則限制了1V104的柵源電壓，使其不致因過壓而被擊穿。當(dāng)1N101關(guān)斷時(shí)，1V105失壓，1V104同時(shí)關(guān)斷，此時(shí)1V107、1V108和1V109串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)550V箝位電路，確保1N101的漏極電壓保持在550V左右。當(dāng)輸入直流電壓高于550V時(shí)，超過550V的那部分電壓便加在1V104上，這樣可把反激電壓和直流母線電壓按設(shè)計(jì)分配在1V104和1N101內(nèi)部的MOSFET上。在反激期間，由1V102A、1V102B和1V103組成的箝位電路限制了由于變壓器漏感在1V104和1N101上出現(xiàn)的電壓尖峰。

由于采用的是初級(jí)反饋的穩(wěn)壓方式，輔助繞組輸出一方面對(duì)控制電路供應(yīng)電源，同時(shí)經(jīng)1R107和1Rp101向反饋控制電路供應(yīng)比例于輸出電壓的取樣信號(hào)，經(jīng)過1N102比較放大，調(diào)整流過三極管1V106的電流，即流入1N101的電流，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

圖2采用第四代功率IC的寬電壓輸入、多路輸出輔助開關(guān)電源電原理圖

假如使用pI公司第四代功率開關(guān)集成電路TOpSwitch-GX系列，只需新增2個(gè)電阻，就可以使該電源具備輸入過壓、欠壓保護(hù)功能和過流保護(hù)編程能力，同時(shí)還具備開關(guān)頻率抖動(dòng)功能，從而改善電源的電磁兼容指標(biāo)。另外，假如將本輔助電源的輸入接成三相四線輸入并整流濾波，再通過對(duì)電路元器件和開關(guān)變壓器的合理的選取和設(shè)計(jì)，可以使其在輸入為單相115VAC、220VAC或三相200VAC、380VAC或在輸入失去一相或者不止一相、中線沒有接上或者電網(wǎng)出現(xiàn)浪涌、甚至電壓長(zhǎng)時(shí)間下降的情況下，仍然可以很好地工作，其電原理圖如圖2所示。

3試驗(yàn)數(shù)據(jù)

筆者對(duì)圖1所示電路的輔助電源實(shí)物進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，該輔助電源可以在380VAC輸入條件下安全可靠地運(yùn)行，并在較寬的輸入電壓范圍內(nèi)保持很好的穩(wěn)壓效果和遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)輔助電源供電方式的工作效率。表1為源效應(yīng)測(cè)試數(shù)據(jù)，圖3為效率隨輸入電壓的變化曲線。由于輸入供電電源可調(diào)范圍有限，因此僅有最高440VAC時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)。試驗(yàn)時(shí)輔助電源各路輸出負(fù)載總功率約為30W.

表1源效應(yīng)測(cè)試數(shù)據(jù)

圖3效率隨輸入電壓的變化曲線

4結(jié)語(yǔ)

用圖1所示電路制作的實(shí)物測(cè)試數(shù)據(jù)表明，在220~440VAC較寬的輸入電壓變化范圍內(nèi)，輔助電源的源效應(yīng)小于0.5%,工作效率則不低于70%。

該開關(guān)電源外形尺寸為113mm61mm32.5mm,重量為150g,作為三相380VAC輸入的大功率電源變換裝置中IGBT驅(qū)動(dòng)電路用多路輸出輔助電源，電路簡(jiǎn)單，體積小、重量輕、效率高，具有很高的實(shí)用價(jià)值。筆者將其作為輸出功率達(dá)26.4kW電源變換裝置中IGBT混合厚膜驅(qū)動(dòng)電路M57962的輔助供電電源，投入實(shí)際運(yùn)行后，工作正常、安全、可靠，完全滿足設(shè)計(jì)要求。